Nghiên cứu tổng hợp biochar ứng dụng làm chất hấp thụ trong xử lý nước thải

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp biochar ứng dụng làm chất hấp phụ xử lý nước thải Mã số đề tài: 184.HH02 Chủ nhiệm đề tài: TS Võ Thành Công Đơn vị thực hiện: Trường Đại học Công nghiệp Tp.HCM LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên, xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Cơng Nghiệp TP Hồ Chí Minh, phịng Nghiên Cứu Khoa Học Hợp Tác Quốc Tế, nơi hổ trợ kinh phí tạo điều kiện thuận lợi thời gian để chúng tơi hồn thành tốt nghiên cứu thực đề tài Tiếp theo, chúng tơi xin cảm ơn Khoa Cơng nghệ Hóa học, nơi tạo điều kiện phịng thí nghiệm nghiên cứu để thực thành công đề tài Sau xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy cô đồng nghiệp, người công với tơi suốt thời gian để hồn thành tốt đề tài thực Xin chân thành cảm ơn! PHẦN I THƠNG TIN CHUNG I Thơng tin tổng qt: 1.1 Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp biochar ứng dụng làm chất hấp phụ xử lý nước thải 1.2 Mã số: 184.HH02 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài TT Họ tên Vai trò thực đề tài (học hàm, học vị) Đơn vị công tác Hướng dẫn, giám sát quy trình tổng hợp sản phẩm 1TS Võ Thành Cơng Khoa Cơng nghệ Hóa biochar Tổng hợp số học, Đại học Công nghiệp Tp.HCM liệu, viết báo khoa học, viết chun đề thí nghiệm Khoa Cơng nghệ Hóa 2ThS Lê Trọng Thành học, Đại học Công nghiệp Tp.HCM Hướng dẫn sinh viên trực tiếp tổng hợp biochar, khảo sát thơng số đến q trình tổng hợp Khoa Cơng nghệ Hóa 3ThS Phạm Thành Tâm học, Đại học Cơng nghiệp Tp.HCM Hướng dẫn sinh viên trực tiếp nghiên cứu ứng dụng biochar xử lý nước thải dệt nhuộm 4TS Đỗ Q Diễm Khoa Cơng nghệ Hóa học, Đại học Công tổng hợp liệu nghiệp Tp.HCM 1.4 Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Cơng nghiệp Tp.HCM 1.5 Thời gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: từ 22/1/2018 đến 22/1/2019 1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến 22/6/2020 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng 22/1/2018 đến 22/5/2020 1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): (Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết nghiên cứu tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến Cơ quan quản lý) 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt đề tài: 52.500.000 đồng Bằng chữ: năm mươi hai triệu năm trăm nghìn đồng chẳn II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề Xã hội phát triển, hoạt động người mở rộng nhiều lĩnh vực Nông Nghiệp, Chăn Nuôi, Công Nghiệp [1, 2]… Bên cạnh sản sinh nhiều chất thải độc hại khó phân hủy khó loại bỏ đặc biệt kim loại nặng, chất hữu làm ô nhiễm môi trường đất, mơi trường nước, mơi trường khí Đặc biệt, Vietnam nơi mà sản xuất nông nghiệp -chăn nuôi truyền thống với số lượng lớn đất đai sử dụng , nguồn phế phẩm với số lượng lớn phát sinh từ nguồn, Phế thải trồng trọt: với gia tăng sản lượng lúa gạo đẩy mạnh trồng trọt, việc quản lý sản phẩm phụ lúa trở thành vấn đề mở hội Trong hệ thống trồng lúa truyền thống, rơm rạ thường chuyển dời khỏi cánh đồng thu hoạch lúa người dân thường đem nhà đánh đống để đun nấu làm thức ăn cho gia súc, thời gian gần lượng phế thải lớn, người dân không sử dụng hết nên rơm rạ đốt đồng ruộng Việc đốt rơm rạ đồng thực nhiều nước ngày trở nên chấp nhận nguy môi trường sức khỏe Theo đánh giá số công trình nghiên cứu, trung bình hàng năm châu Á tổng cộng có 730 Tg (1 teragram = 10 12 gram) lượng sinh khối xử lý cách đốt ngồi trời (open field burning), có 250 Tg có nguồn gốc từ nơng nghiệp Việc đốt ngồi trời phế thải từ trồng hoạt động theo truyền thống người nhằm chuẩn bị đất trồng cho vụ mùa sau, loại trừ đầu mẩu dư thừa, cỏ dại giải phóng chất dinh dưỡng cho chu kỳ trồng trọt sau Việc đốt rơm rạ trời thực tiễn phổ biến nơi có thời gian ngắn để chuẩn bị đất trồng cho vụ mùa sau [3-5] Tại thời điểm thu hoạch, hàm lượng ẩm rơm rạ thường cao tới 60%, nhiên điều kiện thời tiết khô hanh rơm rạ trở nên khơ nhanh đạt đến trạng thái độ ẩm cân vào khoảng 10-12% Rơm rạ, có hàm lượng tro cao (trên 22%) lượng protein thấp, thành phần hydrate cacbon rơm rạ gồm lienoxenluloza (37,4%), hemicellulose (bán xenluloza - 44,9%), linhin (4,9%) hàm lượng tro silica (silic dioxyt) cao (9-14%), điều gây cản trở việc sử dụng loại phế thải cách kinh tế thành phần Lienoxenluloza rơm rạ khó hủy mặt sinh học, vậy, để xử lý địi hỏi phải có bước tiền xử lý Có thể tiến hành tiền xử lý rơm rạ phương pháp học xay, nghiền để làm giảm kích thước, xử lý nhiệt hóa chất sử dụng axit hay bazơ thường cải thiện khả phân hủy Việc đốt ngồi trời q trình đốt khơng kiểm sốt, dioxit cacbon (CO 2), sản phẩm chủ yếu trình đốt giải phóng vào khí với cacbon monoxide (CO), khí methane (CH4), oxit nitơ (NOx) lượng tương đối nhỏ dioxit sulphur (SO 2) Tại châu Á dựa cơng trình nghiên cứu cho thấy, hàng năm nguồn phát xạ đốt sinh khối trời ước tính đạt 0,37 Tg SO 2, 2,8 Tg NOx, 1100 Tg CO2, 67 Tg CO 3,1 Tg methane (CH 4) Riêng lượng phát xạ từ việc đốt phế thải trống theo ước tính đạt: 0,10 Tg SO2, 0,96 Tg NOx, 379 Tg CO2, 23 Tg CO 0,68 Tg CH4 [1, 6, 7] Phế thải chăn nuôi: nước ta có nhiều lị giết mổ động vật để cung cấp nguyên liệu cho công ty, nhà máy chế biến thức ăn, cung cấp thực phẩm cho người Tuy nhiên, trình chế biến thức ăn có nguồn gốc từ động vật người ta thường lấy phần da, thịt, phận bên động vật Phần xương động vật bị thải bỏ tận dụng xương để chế biến thức ăn người ta dùng để lấy phần tủy xương (nấu xương để lấy tủy) Quá trình thường có nhà máy chế biến nước tương, tiệm nấu phở… Mặc dù tận thu chất dùng để chế biến thức ăn, xương động vật nguồn thải, cần phải xử lý Xuất phát từ trạng chất thải ngành chăn nuôi ưu điểm than sinh học, việc “than sinh học hóa” chất thải chăn nuôi hứa hẹn hướng giải vấn đề ô nhiễm khu vực chăn thả đồng thời tạo nguồn phân bón, thay phần phân hóa học đóng vai trị “chất cải tạo đất” Các nhà khoa học trường Đại học Khoa học Tự nhiên nghiên cứu đề tài tập trung chủ yếu vào việc sản xuất biochar từ chất thải chăn ni tìm hiểu ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ, thời gian lưu trình nhiệt phân chậm đến tính chất biochar o o Hai nhiệt độ thí nghiệm 450 C 550 C mốc thời gian lưu giờ, giờ, giờ, giờ, Sản phẩm thu với hiệu suất 47 – 37%, hàm lượng bon 54 – 62% có xu hướng giảm tăng nhiệt độ thời gian nhiệt phân Các mẫu biochar có tính kiềm, pH dao động 8,45 – 8,82 [8, 9] Than sinh học (biochar): hiểu than sinh học sản phẩm tạo qua trình nhiệt phân vật liệu hữu mơi trường yếm khí, có khả tồn bền vững môi trường đất làm tăng lượng cacbon lưu giữ đất, giảm cacbon thải vào khí quyển, có khả tích cực đến sản xuất đất Theo tổ chức IBI (International Biochar Initiative) than sinh học chất rắn thu từ trình cacbon hóa sinh khối Trong q trình nhiệt phân, nhiệt độ thấp xenlulozo hemi-xenlulozo bị dạng chất hữu bay dẫn tới suy giảm khối lượng Chất khoáng khung cacbon vần giữ hình dạng cấu trúc vật liệu ban đầu Cấu trúc phân tử than có trạng thái xốp có diện tích bề mặt lớn, lỗ rỗng đường kính nhỏ (50 nm) hình thành tình nhiệt phân tạo nên hệ thống mao quản hệ thống lỗ rỗng than góp phần quan trọng cho thơng khí, hoạt động vùng rễ cấu trúc đất Chính bổ sung than vào đất làm thay dổi tính chất vật lý tự nhiên đất, làm tăng tổng diện tích bề mặt riêng, cải thiện cấu trúc thống khí đất (Kolb, 2007) [10-12] Theo Dubinin Zaveria, than sinh học vi lỗ xốp tạo mức đốt cháy (burn-off) nhỏ 50% than sinh học lỗ micro mức đốt cháy lớn 75%, mức độ cháy khoảng 50-75% sản phẩm có hỗn hợp cấu trúc lỗ xốp chứa tất cacr loại lỗ Than sinh học có bề mặt riêng phát triển thường đặc trưng cấu trúc nhiều đường mao dẫn phân tán, tạo nên từ lỗ với kích thước hình dạng khác Khó đưa thơng tin hình dạng xác lỗ xốp, phương pháp xác định than thường có dạng nano dẫn mở hai đầu có đầu kín, thơng thường có dạng rãnh, dạng chữ V nhiều dạng khác Đặc biệt, nhóm cacbon – oxy bề mặt than sinh học nhóm quan trọng ảnh hưởng đến đặc trưng bề mặt tính ưa nước, độ phân cực, tính acid đặc điểm hóa lý, khả xúc tác, độ dẫn điện khả phản ứng định Ví dụ, oxy có tác dụng quan trọng đến khả hấp phụ nước khí có cực khác, ảnh hưởng đến hấp phụ chất điện phân, lên than sử dụng làm chất lọc cao su nhựa, lên độ nhớt graphit lên tính chất thành phần phản ứng hạt nhân Theo Kipling, nguyên tử oxy hydro thành phần cần thiết than hoạt tính với đặc điểm hấp phụ tốt, bề mặt vật liệu nghiên cứu bề mặt hydrocacbon biến đổi số tính chất nguyên tử oxy Than sinh học có nhiều xu hướng mở rộng lớp oxy hấp thụ hóa học nhiều phản ứng chúng xảy xu hướng này, ví dụ, than sinh học phân hủy khí oxy hóa ozone oxit nito Chúng phân hủy dụng dịch muối bạc halogen sắt (III) clorua, KMnO4, amonipersunfat, acid nitric[13, 14] Ngoài ra, dạng khác than sinh học từ nguồn phế thải chăn nuôi gọi than xương (bonechar), than đốt từ xương động vật, có dạng hạt, màu đen Than xương có thành phần carbonate - hyđroxylapatite, cơng thức tổng qt [Cax.(PO4)y.(CO3)z.OH] Do đặc điểm cấu tạo than xương nhiều tâm hấp phụ nên có khả hấp phụ trao đổi ion tốt, đặc biệt hấp phụ kim loại nặng, ion có độc tính cao[15-17] Tình hình sản xuất than sinh học: giới có nhiều nghiên cứu than sinh học Nhật Bản, than sinh học cấy thêm vi sinh vật để xử lý chất thải nhà vệ sinh, bảo vệ môi trường, trường Đại học Politecnica de Madrid (Tây Ban Nha) nghiên cứu chế tạo than sinh học từ bùn thải ứng dụng cải tạo tính chất đất… Ở Việt Nam, bước đầu nghiên cứu ứng dụng than sinh học số địa phương như: Viện môi trường Nông nghiệp (Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam) sản xuất thành công than sinh học từ rơm, rạ; Mai Thị Lan Anh (Đại học Khoa học Thái Nguyên) sáng chế than sinh học từ rơm rạ dùng làm phân bón; Viện Thổ nhưỡng Nơng hóa sử dụng than sinh học từ trấu làm giá thể, đất nhân tạo phân bón hữu vi sinh [18-21] Tuy nhiên, hầu hết tình sản xuất ứng dụng sản phẩm than sinh học Việt Nam xuất phát từ nguồn phế phẩm Nơng nghiệp Hiện tại, chưa tìm thất nguồn than xương (bone char) sản xuất ứng dụng thực tế việt nam Vì vậy, đề tài nghiên cứu này, tập trung vào sản xuất ứng dụng than sinh học cụ thể than xương (bonechar) từ nguồn phế phẩm chăn ni từ nguồn phế thải xương bị Q trình hấp phụ: bề mặt chất rắn có khuynh hướng hấp dẫn cấu tử pha khí pha lỏng bao quanh Các cấu tử thường bị giữ thành lớp hay nhiều lớp bề mặt chất rắn Trong đa số trường hợp, chất hấp phụ (chất rắn,) phải liên kết thuận nghịch với cấu tử bị hấp phụ để tái sử dụng chất hấp phụ Như trình hấp phụ trình hút chọn lọc cấu tử pha khí hay pha lỏng bề mặt chất rắn Quá trình hấp phụ thực cách cho tiếp xúc hai pha khơng hịa tan pha rắn gọi chất hấp phụ (adsorbent) với pha khí pha lỏng gọi chất bị hấp phụ (adsorbate) Chất bị hấp phụ từ pha lỏng (hoặc khí) đến pha rắn nồng độ dung chất phân bố hai pha đạt cân Về nguyên tắc, kỹ thuật sử dụng để thực trình tiếp xúc hai pha khơng hịa tan thực cho trình hấp phụ Một trình lỏng – rắn khác q trình trao đổi ion, trình trao đổi thuận nghịch chất rắn định dung dịch điện giải Quá trình liên hệ đến chất hóa học tương tác ion với chất rắn khếch tán ion pha rắn Đây tượng phức tạp hấp phụ kỹ thuật chung kết nhận tương tự Trong trình hấp phụ, tùy theo chất liên kết chất hấp phụ chất bị hấp phụ, người ta phân biệt hai loại hấp phụ như: hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học [15, 22-24] Hiện có nhiều nghiên cứu phương pháp xử lý nước thải như: xử lý phương pháp hóa học, phương pháp vật lý, phương pháp điện hóa, phương pháp dùng màng trao đổi ion… Nhiều nghiên cứu thành công ứng dụng thực tế Tuy nhiên việc tìm kiếm giải pháp hữu hiệu việc xử lý môi trường vấn đề luôn cần thiết Hơn ngồi việc xử lý nước thải gây nhiễm mơi trường, q trình xử lý có kèm theo việc thu hồi chất độc hại nước thải, đặc biệt chất phóng xạ, kim loại nặng, ion độc hại Arsen Đề tài nghiên cứu công nghệ sản xuất than xương khả ứng dụng làm chất hấp phụ để hấp phụ ion độc hại nước giải pháp kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu việc xử lý nước thải, góp phần bảo vệ mơi trường Từ nghiên cứu cho thấy phát triển hướng nghiên cứu thu hồi ứng dụng phế phụ phẩm nông nghiệp, chăn nuôi lớn cần thiết Vì vấn đề đề tài này, trước tiên tổng hợp biochar từ nguồn phế phẩm chăn nuôi, gọi than xương (bonechar) mức độ quy mơ phịng thí nghiệm, đồng thời ứng dụng sản phẩm bonechar làm chất hấp phụ việc xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải chứa kim loại nặng, nước thải chứa màu nhà máy sản xuất quy mô công nghiệp Mục tiêu  Mục tiêu tổng quát: tổng hợp biochar quy mơ phịng thí nghiệm từ nguồn phế thải chăn nuôi, ứng dụng sản phẩm biochar tổng hợp để làm chất hấp phụ xử lý nước thải, xử lý màu công nghiệp  Mục tiêu cụ thể: nghiên cứu tổng hợp biochar từ nguồn phế thải chăn ni từ xương bị Khảo sát tính chất bề mặt bonechar bề mặt riêng, thành phần, cấu trúc Triển khai nghiên cứu ứng dụng sản phẩm biochar việc xử lý nước thải mang màu, xử lý nước nhiểm phèn Phương pháp nghiên cứu TT Các nội dung, công việc Phương pháp thực chủ yếu cần thực (Kèm theo phương tiện, công cụ) Khảo sát nguồn nguyên liệu phế phẩm Đánh giá thành phần, số lượng, vị trí phế phẩm Tổng hợp biochar từ nguồn phế phẩm thành sản phẩm biochar quy mơ phịng thí nghiệm Thực quy trình tổng hợp để thu sản phẩm biochar Nghiên cứu thông số kỹ thuật - Nghiên cứu tổng hợp thực nghiệm thiết bị hệ thống thiết bị cách phịng thí nghiệm; khảo sát quy trình nung như: - Kiểm tra tiêu độ bền thiết bị, an toàn + Nhiệt độ + Thời gian thiết bị - Kiểm tra ô nhiễm khí đốt + Điều kiện nung + Tỉ lệ thu hồi Kiểm tra đánh giá chất lượng sản phẩm Giấy chứng nhận đạt tiêu độ tiêu chuẩn than biochar Ứng dụng sản phẩm biochar để hấp phụ - Màu dệt nhuộm Hình ảnh, bảng biểu kết nghiên cứu hấp phụ - Kim loại nặng nước Viết báo khoa học giảng thực hành Dựa kết nghiên cứu thực